一种提高电能计量精度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高电能计量采样精度的方法；包括以下步骤：对交流电压电流信号进行多周波采样累加求其平均，根据采样平均值进行FFT快速傅立叶变换，计算出电压、电流相量的实部、虚部值，然后将相量实部、虚部值平方相加，再进行软件增益倍数放大开方得Um和Im值，连续采样4(n+2)个Um和Im，将4(n+2)个Um和Im值分别从大到小泡冒排序求其4n个值，累加4n个值右移n位得M位过采样值，提高AD采样分辨率精度。本发明不需要采用昂贵的ADC，硬件成本低，可以提高ADC采样分辨率位数；系统的抗干扰性能强，测量精度高；实现比较简单，数据准确，可靠，能满足工业电能表的需求。
【专利说明】
一种提高电能计量精度的方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力技术领域，更具体地，涉及一种提高电能计量精度的方法。
【背景技术】
[0002] 在电力行业领域，很多设备产品为了满足行业的误差标准，常采用较高位数的片 外或片内ADC进行采样及转换电压、电流等信号，昂贵的ADC芯片增加产品成本，也没有改善 信噪比和量化误差。目前业界常用的一些方法测量效果不大好，不能增加测量精度和提高 量化误差。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种提尚电能计量精度的方法，旨 在解决现有技术中采用交流电信号的电压、电流来测量ADC导致测量精度低且量化误差大 的技术问题。
[0004] 本发明提供了一种提高电能计量精度的方法，包括下述步骤：
[0005] (1)对电压信号和电流信号进行多周波采样，并对采样值进行累加求其平均后获 得电压平均值和电流平均值；
[0006] (2)对所述电压平均值和所述电流平均值分别进行FFT快速傅立叶变换，获得电压 相量的实部、虚部值和电流相量的实部、虚部值；
[0007] (3)对所述电压相量的实部值和虚部值进行平方后相加获得Un，并对Un进行放大后 开方获得U m;对所述电流相量的实部值和虚部值进行平方后相加获得In，并对In进行放大后 开方获得Im;
[0008] (4)重复步骤（1)-(3)连续采样4(n+2)个UjPIm，并将4 (n+2)个U4PU直分别从大到小 排序后获得中间4n个值，累加4n个值并右移η位得Μ位过采样值。
[0009] 更进一步地，所述电压平均值
j，所述电流平均值
;其中，i为一周波电压电流采样点数，Ν为连续采样周波数;k为采样 周波的序号，U[N][i]为连续采样N个周波电压信号，I[N][i]为连续采样N个周波电流信号。 [0010] 更进一步地，步骤(2)中，所述电压相量实部
电压相量虚 部
[0011] 更进一步地，步骤（3)中，所述Un = Ux*Ux+Uy*Uy，所述In= Ix*Ix+Iy*Iy，所述
[0012] 更进一步地，步骤(4)具体为：
[0013] (4.1)连续采样4(n+U个U4PU直，将4(n+a个U4PI m值分别从大到小排序，去掉最高 4n/2个和最低4n/2个1^和1過，取出中间4n个值；
[0014] (4.2)累加4"个仏和Im值，右移η位，得Μ位过采样值。
[0015]更进一步地，η为2的整数倍的正整数。
[0016]本发明适用于提高ADC精度，运算方便简单，不需要增加太多MCU及计算时间开销， 降低产品成本。采用多次累加计算的结果平均作为最终结果，精度高，消除随机性误差;采 用从大到小冒泡排序取中间值方法，抗干扰性能强，去掉不可靠数据;右移η位提高η位的精 度分辨率，消除ADC采样过程中的量化误差和SNR(信噪比）；本方法实现起来简单，且数据抗 干扰可靠性高、实用性强。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明实施例提供的提高电能计量精度的方法的实现流程图；
[0018] 图2是本发明实施例提供的提高电能计量精度的方法中求平均步骤的实现流程 图；
[0019] 图3是本发明实施例提供的提高电能计量精度的方法中FFT运算和放大步骤的实 现流程图；
[0020] 图4是本发明实施例提供的提高电能计量精度的方法中累加步骤的实现流程图。
【具体实施方式】
[0021] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0022] 本发明针对现在技术中交流电信号的电压、电流测量ADC精度不够缺点，提出一种 在不大大提高MCU和运算开销情况下提高电能计量精度的一种方法。
[0023] 本发明提供的一种提高电能计量精度的方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0024]步骤(1):对电压电流信号进行多周波采样累加求其平均；
[0025] 根据公式
￥得电压平均值;根据公￥
获得电流平均值；
[0026] 其中，i为一周波电压电流采样点数，最少32的倍整数，才能完美描述交流周波;N 为连续采样周波数;最少为4的整数。U[N][i]为连续采样N个周波电压信号，I[N][i]为连续 采样N个周波电流信号。一周波采i个采样点;Ut[i]为N个电压周波累加求平均值;It[i]为N 个电流周波累加求平均值。
[0027] 步骤(2):对电压平均值和电流平均值分别进行FFT快速傅立叶变换，获得电压、电 流相量的实部、虚部值；
[0028]其中，对Ut[i]、It[i]信号进行FFT快速傅立叶变换，计算求得采样得到的电压相 量的实部和虚部。电压相量实部
电压相量虚部
[0029] 电流相量实部、虚部计算公式如电压相似。其中Ut[i]是交流信号采样值，FFT快速 傅立叶变换具有很强的滤波能力，减少累计量化误差，运算效率高，能减少MCU运算能力开 销。
[0030] 步骤(3)根据FFT运行得出电压、电流相量实部、虚部值后平方相加，再进行增益倍 数放大开方得U4PU直：
[0031] (3.1)根据公式Un = Ux*Ux+Uy*Uy对电压相量实部、虚部值求平方，并根据公式In = Ix*Ix+Iy*Iy对电流相量实部、虚部值求平方；
[0032] (3.2)再进行增益倍数放大开方后获得
[0033] 其中，G为增益倍数放大倍数，最少2的整数倍，补偿采样数据，减少量程误差;仏为 交流基波电压幅值，1^为交流基波电流幅值。
[0034] 步骤(4)连续采样4(n+2)个仏值，将4(n+2)个U直从大到小泡冒排序求其4n个值，累加 4"个值右移η位得Μ位过采样值，提高AD采样分辨率精度。
[0035] (4.1)连续采样4(η+2)个iaPU直，将4(η+2)个U4PI m值分别从大到小冒泡排序，去掉 最高4n/2个和最低4n/2个1^和1"值，取出中间4n个值。冒泡排序方法能消除偶然性误差，取的 η值越大，数据越稳定，抗干扰性越好，但会增加 MCU运算开销及时间。η取最少2的整数倍。 [0036] (4 · 2)累加4"个仏和1"值，右移η位，得Μ位过采样值。
[0037]
[0038]
[0039] t^4n；
[0040] M=12+n；
[0041 ]其中，Ut、11的值是Μ位ADC精度值。η是希望得到的额外精度位数，η值越大，得到的 精度越高，但较高的η值会使ADC采样速度过快和高消耗MCU内存，不利于采样稳定性，所以 合理的η值较为重要，一般取2或4位。
[0042] 本发明采用以上方法与现有累加求平均方法相比，具有以下技术效果：
[0043] (1)累加求平均方法相当于低通滤波器，能有效的消除随机性的抖动值，使采样信 号平均，但不会提高转换的精度，而采用以上方法不但具有低通滤波器功能，还可以提高 ADC转换精度值，而不必采用昂贵的ADC芯片。
[0044] (2)累加求平均方法不会提高ADC量化误差和改善SNR，而采用以上方法可以提高 ADC采样的量化误差，改善SNR(信噪比）。
[0045] (3)本方法在进行计算时方便简捷，占用MCU的运算开销不大，适合电力采集系统 使用。
[0046]本发明的工作原理是通过ADC采样交流电压、电流信号多个周波来进行说明，如图 2所示，ADC通过RC低通滤波器采样，采样后数据通过MCU读取，存放到缓冲区内，每个周期采 样32个点整数倍，采样时间间隔20ms/(32*n)，采样次数越多，波形描述越完美，但占用MCU 的开销和内存缓冲区越大。
[0047]本发明具体流程如下：
[0048] (l)MCU以间隔20ms/(32*n)时间，通过片内12位的ADC采样交流电压、电流一周波 32个点整数倍数据，采样数据存储到MCU数组缓冲区内，连续累记采N个周波，将N个周波内 32个点整数倍的数据累加，累加值除以N得平均值数据，以消除随机性误差干扰。具体实现 流程可以参照图2所示。平均值计算公式包括：电压求平均值计算公式：
[求平均值计算公式：
卩中，i为一周波32 个点整数倍，至少采32个点;Ut[i]为电压累加 N个周波的平均值数组缓冲区；It[i]为电流 累加 N个周波的平均值娄组缓冲区。
[0049] (2)对交流电压、电流平均值Ut [ i ]、11 [ i ]进行FFT快速傅立叶变换，求出电压、电 流相量的实部、虚部值。电压、电流相量实部、虚部值各自分别平方，电压、电流相量实部、虚 部各自相加，求出电压、电流FFT运算后的信号值，信号值乘以软件放大增益倍数开方，得出 电压、电流幅值信号。步骤(2)的具体实现流程如图3所示。
[0050] 部分计算公式如下：
[0051] (2.1)对电压、电流相量实部、虚部值求平方公式：
[0052] 电压Un=Ux*Ux+Uy*Uy;电流In=Ix*Ix+Iy*Iy;
[0053] (2.2)增益倍数放大开方得值仏和1?;公式
；其中，G 为增益倍数放大倍数，最少2的整数倍，补偿采样数据，减少量程误差。
[0054] (3)通过图2、图3步骤流程求出电压、电流信号幅值UjPIm。连续重复上述图2、图3 步骤流程，累记求出4 (n+2)个U4PIm，将4(n+2)个1^和1屬值分别从大到小进行冒泡排序，去掉 最高和最低的472个数据值，取出4 n个中间值累加，消除采样随机性误差值(也即抖动，电 源，ADC本身等噪声干扰引起的抖动），将累加值右移η位，也即提高η位精度分辨率值。
[0055]综上所述，本发明的提尚电能计量精度的一种方法，适用于提尚ADC精度，运算方 便简单，不需要增加太多MCU及计算时间开销，降低产品成本。采用多次累加计算的结果平 均作为最终结果，精度高，消除随机性误差;采用从大到小冒泡排序取中间值方法，抗干扰 性能强，去掉不可靠数据;右移η位提高η位的精度分辨率，消除ADC采样过程中的量化误差 和SNR(信噪比）；本方法实现起来简单，且数据抗干扰可靠性高、实用性强。
[0056]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种提高电能计量精度的方法，其特征在于，包括下述步骤： (1) 对电压信号和电流信号进行多周波采样，并对采样值进行累加求其平均后获得电 压平均值和电流平均值； (2) 对所述电压平均值和所述电流平均值分别进行FFT快速傅立叶变换，获得电压相量 的实部、虚部值和电流相量的实部、虚部值； (3) 对所述电压相量的实部值和虚部值进行平方后相加获得Un，并对Un进行放大后开方 获得Um; 对所述电流相量的实部值和虚部值进行平方后相加获得In,并对In进行放大后开方获 得Im; (4) 重复步骤（1)-(3)连续采样4("2)个Um和Im，并将4(n+ 2)个Um和Im值分别从大到小排序 后获得中间少个值，累加少个值并右移η位得Μ位过采样值。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压平均值所述 电流平均值； 其中，i为一周波电压电流采样点数，Ν为连续采样周波数;k为采样周波的序号，U[N] [i]为连续采样N个周波电压信号，I[N][i]为连续采样N个周波电流信号。3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2)中，所述电压相量实部4. 如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述Un =化*Ux+Uy*Uy， 所述In=Ix*Ix+Iy*Iy，所过心为增益倍数放大倍数。5. 如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)具体为： (4.1 )连续采样4("2)个Um和Im值，将4(n+"个Um和Im值分别从大到小排序，去掉最高472 个和最低472个Um和Im值，取出中间少个值； (4.2)累加4。个Um和Im值，右移η位，得Μ位过义样值。6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，η为2的整数倍的正整数。
【文档编号】G01D1/02GK105973272SQ201610605966
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月28日
【发明人】文志雄, 林峰平, 乔冠梁
【申请人】深圳市康必达控制技术有限公司